真空管道高速磁浮交通的技术方案

真空管道高速磁浮交通的技术方案

100多年前，铁路的出现给世界钢铁行业带来了前所未有的繁荣。铁路,不仅是钢铁的主要用户,也不断刺激着钢铁生产工艺与技术的提升。飞机和汽车的出现,成为世界石油/汽油最大的消费者。今天,真空对非专业人士来说,最熟悉的就是家家都有的热水瓶,还有近些年流行起来的保温杯,而对其他工业领域的应用则不很熟悉。无论如何,大家都感觉到,真空设备、器件、工艺、技术等是一个前景广阔的行业。真空应用,未来还有哪些更重要的领域?本文介绍一种正受到科学界关注的新系统——真空管道运输,它对真空产业的影响,将类似于铁路之于钢铁,是未来真空行业最重要的应用方向之一,也将是真空市场上最大的买家。建议有远见的真空界企业、行业协会和研究人员密切注视真空管道运输的发展动向,为这一巨大市场的到来做好应对准备。1真空管理系统介绍1.1真空管道高速磁浮交通真空管道运输,英文为EvacuatedTubeTransportation,缩写为ETT,这是此系统的美国发明人DarylOster先生在他的专利中最早使用的名称。早期,国外也有人把它叫作VacuumTubeTransportation,但现在一般不用此叫法,而是使用DarylOster在他的专利文献中所使用的名称(美国专利号:5950543)。由于真空管道运输跟高速磁悬浮列车密不可分的联系,所以我们有时也叫作“真空管道高速磁浮交通”。地面高速运输系统要克服巨大的空气阻力,当速度超过500km/h后,空气阻力就非常巨大,所以人们产生了建设真空管道磁浮线路的设想。早在20世纪60年代,美国兰德咨询公司和麻省理工学院的专家通过技术分析,设想了一种高速运输工具——真空管运输系统,而且预计在21世纪可能成为现实。该设想的轮廓是:横贯美国东西,由纽约到洛杉矶修建一条长3950km的地下隧道,隧道内抽成相当于1‰个大气压的真空,将磁浮系统安装在隧道内,在这种真空管道中,时速可达22500km/h,即令采用该理论速度四分之一的速度,即平均速度6750km/h,由纽约到洛杉矶也只要36分30秒的旅行时间。经过多年的研究与设计,美国佛罗里达机械工程师DarylOster于1999年申请获得真空管道运输(ETT)系统发明专利。1.2真空管道运输系统图2真空管道运输线路由双方向的两根管道组成,可以走地上或地下,也可以高架。两根管道可以平排,也可竖排(如图1)。管道内径1.5～2.0m,并抽成一定的真空。沿线每隔一定距离设置真空泵站以及车站,线路及车站布置如图2所示。真空管道运输系统采用先进的真空技术,而且速度会比汽车、飞机甚至导弹还快,人们不禁会担心:建设成本是否很大?对这一问题的回答,通过对真空管道运输系统断面与高速铁路断面相比较(如图3),就很容易理解其造价不会很高,而且可能十分便宜。因为在同样的设计输送能力下,真空管道运输系统的断面可以比高速铁路小很多。1.3磁浮交通的优势真空管道运输是一种新型的运输系统,最新研究资料表明,所需能耗不到当前运输方式能耗的2%,而安全性更高、速度更快。管中抽成真空,消除了空气阻力,类似飞行器的旅行舱在管道中旅行,或者让旅行舱在无磨擦的磁浮状态运行。真空管道运输是一种非常有效的运输方式,运营费将相当便宜。另外,真空管道运输以连续方式运行,所以可在你所期望的任何时候出发,不用担心天气条件。而且具有独特的环保优点,建设真空管道磁浮交通比建设一条公路对环境造成的损害减少95%,对资源的消耗也少得多。就每人公里运输量而言,磁浮交通对环境的温室效应只有飞机和小汽车的0～2%,对湿地、沼泽地的影响也较小,不会破坏自然水体和蓄水层。跟现有的运输工具(飞机、火车、汽车等)相比,真空管道磁浮交通具有以下优越性:①快速。纽约—洛杉矶,45min;华盛顿—北京,2h;本地旅行速度350km/h,城际间旅行速度1000km/h,国际间旅行速度大于4000km/h。②方便。连续运行,可以在任何时候搭乘、旅行,没有时刻表,不需要遵循交通部门制定的出发时间;没有延迟与停止,到任何目的地均为直达。③高效、节能。在一定速度下,只有当前运输能耗的1%;材料节省达90%。④清洁。环境友好,使用可再生能源——少量电力,可持续性好,由于管道中抽成真空,自然形成音屏障,以致无任何对外噪声。⑤安全。消除了相撞的可能性,不受任何气候条件影响,不会因不良天气而终断。⑥现实可行。所有建设ETT的设备都是现成的;所涉及的各项技术都已投入商业应用。1.4真空隧道瑞士地铁(Swissmetro)是一种完全设置在地下的交通设施,由两个直径5m的隧道组成,线路的大部分从岩石中穿过,依据地形的变化,深度一般在地下60～300m处。车站都设在城镇中心,跟城市和地面的运输线联接成网。隧道中抽成一定的真空,真空度大约跟18000m高空的气压相当,这是协和式飞机作高速飞行所需的高度与大气密度,这种真空环境有利于减小空气对车体的阻力,节省用于驱动的能量。运行车体用磁悬浮方式,由直线电机驱动,设计运行速度500km/h。如图3所示。本项目最早由RodolpheNieth在20世纪70年代提出,随后受到瑞士联邦理工学院专家的支持。在联邦政府和私人企业的资助下,于1993年3月完成预可行性研究,表明这种系统在技术上和经济上都是可行的。1992年成立Swissmetro公司,为主要研究筹集到一定的必要资金。1997年11月,向瑞士政府提交了修建Geneva-Lausanne线路的申请报告。1999年6月,完成了主要的研究工作。2真空管理系统对真空技术的要求2.1管道材料的选择真空管道运输系统中,管道不仅要防水、防大气渗漏,承受车辆重力,而且要求承受由于管道内外气压差形成的额外压力,要求密封良好,保证管道内真空环境不被破坏。因此要选择密封性和力学性能均较好,但价格较低的管道材料。如果建在地下,就变成真空隧道的形式,这时可采用密封性能良好的混凝土衬砌或适当的工艺进行处理。无论是预制管道或地下隧道,都要选择放气率小的材料,在真空管道运输系统这种庞大的真空空间,材料放气率对内部真空度的影响会非常明显。2.2系统运行密封管道与管道之间的接头处,必须密封严实。另外,管道沿线有许多抽气泵站,还要为维修、检查以及紧急情况预留能打开的开口,在真空管道运输系统正常工作时,这些开口都密闭,必须保证不漏气。在沿线各车站车辆进出主管道的空气锁部位,系统连续运行时少量漏气不可避免,但闭合时的密封一定要可靠,达到相应的密封要求。管道中是真空状态,而在其中运行的磁浮车辆中必须是适宜人乘坐的大气环境,因此车辆必须具有良好的密封。2.3车辆进出时的过程乘客出发时,首先进入停靠在站内的ETT车体内,这时车体内外均处于正常大气状态。随即车门关闭,密封装置启动,使车内与车外严格隔离,车内供氧及生命保持系统开始工作。然后车辆进入空气锁(或叫过渡舱)中,过渡舱跟管道是相联的,这时需要对过渡舱抽真空,当过渡舱内气压降低到跟管道中的真空度相同时,打开跟管道相通的过渡舱闸门,车辆即可进入支线真空管道中。在进入主干线时,车辆要加速到跟主干线中其他车辆一致的速度。车辆进站时的过程,跟出发过程相似。车辆首先进入过渡舱内,关闭跟ETT主管道相联的闸门,过渡舱内升压至标准大气水平时,打开空气锁另一端闸门,车辆驶入站台,乘客下车。也可采用过渡舱跟站台合成一体的设计模式。2.4高温超导车空气浮车高温超导磁悬浮车是磁悬浮车的很有发展前景的一种模式,也很适合于真空管道运输系统。但是,目前的高温超导磁悬浮车要使用液氮及杜瓦容器。如果杜瓦开口跟车体舱内相联,则不会对管道真空环境造成影响,但车辆设计时要考虑氮气的回收问题。如果杜瓦开口直接通向真空管道,挥发的氮气会影响管道内真空环境,这时在计算抽气速率时要考虑排放到真空管道中的氮气。2.5放空气不好,试气好,真空室抽气好真空管道中的真空环境是靠真空泵等装置实现的,该管道相当于一个庞大的真空室,一台真空泵抽气是不够的。另外,如果真空管道运输沿线真空泵之间的距离太大,则可能形成真空管道流导太小的现象,影响抽气速率和真空泵效率的发挥。因此,沿线真空泵功率选择以及相隔间距设置要合理。2.6停车时车辆内部供氧系统不能保证得到空气真空管道运输系统在运行过程中一旦出现故障或事故,正在行进中的车辆要能够及时停车,如果是车辆内部供氧系统的故障,更需要保证在短时间内使车内得到空气。为此,沿线需要设置紧急进气孔,当出现险情时,进气孔自动打开,空气进入管道内,一方面可以起到辅助制动作用,另一方面可以使车内及时得到空气补给。3真空管道运输系统对未来真空行业的影响3.1真空管道运输系统真空度的确定和比真空管道运输系统的管道中所要求的真空度跟管道中运行车辆的设计速度有关,设计速度越高,所需真空度也越高。原则上,真空度越高越好。管道中真空度越高,越有利于减小空气阻力,消除引起车辆振动的气体扰动,提高驱动效率。但是,高真空度要求相应地提高真空泵功率和真空系统配置,管道系统的密封、强度和结构标准也需要提高,这会导致真空管道运输系统建设成本和运营成本的增加。所以,最合理的真空度范围应该通过优化计算和经济分析来确定。目前尚无真空管道运输系统合理真空度的专门研究,这里以瑞士Swissmetro、超音速飞机、巡航导弹、人造卫星、宇航飞船等为参照,用类比法尝试给出不同速度时真空管道运输系统可能的真空度范围(表1)。瑞士Swissmetro系统的目标速度不超过700km/h,考虑采用1/10个大气压的真空度,即1.0133×104Pa。这是以超音速飞机为参照确定的,超音速飞机的飞行速度是每小时2000多公里,飞行高度15000～18000m,这一高度的真空度大约是1/10个标准大气压。3.2管道真空管道容积真空管道运输系统在开始运行时,首先要对管道抽气,以达到设计速度所对应的真空度。抽气速率的确定取决于管道容积、系统漏气率和放气率,以及开始启动系统直到车辆可以进入管道运行的期望时间。在真空管道系统正常运营期间,沿线各泵站可能要继续补抽气,以保证管道中的真空度达到相对平衡状态。设管道总容积为V,沿线各站点支线管道的容积为V支1+V支2+……V支n,则有V=V主+(V支1+V支2+⋯⋯V支n)V=V主+(V支1+V支2+⋯⋯V支n)如图5所示。假设某条真空管道运输线路长1000km,管道内径为d=2m,每50km设一个站,车站总数为20,从主干线离开减速进入车站或从车站加速进入主干线的支管道均为5km长,按双方向双管道线路计算,总的真空管道容积为这就是说,这条1000km的真空管道线路的真空空间将是690万立方米。按照Swissmetro的设想,真空隧道断面直径至少为5m,那么,所创造的真空空间将会更大。3.3我国真空管道运输系统为未来真空产业创造的市场空间当真空管道高速磁浮交通作为一种主要交通方式为社会提供服务的时候,我国所需的总里程数至少为10万km,按此规模计算,我国真空管道运输系统为未来真空产业创造的市场空间将是——6.9亿立方米。这么大的真空市场,恐怕是当今任何需要真空设备与技术的行业难以相提并论的。就全世界而言,真空管道运输所能打